Von Michele Lorusso und Soudeh Tavousi
Elektromagnetische Störungen (EMI) sind eine häufige und oft frustrierende Herausforderung beim Testen von Drohnenantriebssystemen. EMI-bedingte Symptome können zu Testunterbrechungen führen, insbesondere bei Hochleistungs-Testaufbauten, bei denen Motoren, ESCs und Messelektronik gleichzeitig betrieben werden.
In der Praxis kann es schwierig sein, EMI einer einzelnen Quelle zuzuordnen. Basierend auf unseren Erfahrungen mit zahlreichen Kundentestsystemen lassen sich EMI-bedingte Probleme häufig durch sorgfältige Layoutplanung, Verkabelung und Erdungsmethoden lösen. In Fällen, in denen passive Maßnahmen nicht ausreichen, können aktive Techniken zur Störunterdrückung eingesetzt werden, um empfindliche Elektronik weiter zu isolieren.
Dieser Artikel beschreibt häufige EMI-Quellen beim Drohnentest und praktische Methoden zu deren Reduzierung.
Abbildung 1: Testaufbau für Drohnenantriebe mit dem Flight Stand 15
Inhaltsverzeichnis
- EMI-Quellen beim Drohnentest
- Komponenten des Antriebssystems
- Testgeräte
- Testumgebung
- So reduzieren Sie EMI
- So messen Sie EMI
- Workflow zur EMI-Reduzierung
- Passive Techniken zur EMI-Reduzierung:
- Anpassungen der Verkabelung
- Schleifenbildung und Erdung
- Mechanische EMI-Quellen und Isolation
- Ferritperlen und EMI-Filter
- Verbindungen
- Aktive Techniken zur EMI-Reduzierung:
- Isolierung der Erdung
- Beispiel: Optokoppler
1. EMI-Quellen beim Drohnentest
EMI äußert sich häufig durch sporadische Verbindungsabbrüche statt durch konstante Ausfälle, was die Ermittlung der Ursache erschwert.
EMI kann sowohl mechanische als auch elektrische Ursachen haben. Zu den mechanischen Quellen gehören Funkenbildung oder Wackelkontakte bei Komponenten wie Zündstartern oder Relais, während elektrische Quellen zu den schnellen Schaltvorgängen der Elektronik, Leistungswandlern und digitalen Steuersignalen zählen. Das Verständnis der Art der Quelle hilft dabei, die Maßnahmen zur Störunterdrückung gezielt einzusetzen.
Nachfolgend finden Sie einige der häufigsten EMI-Quellen beim Drohnentest.
Komponenten des Antriebssystems
In Testumgebungen für Drohnen wird EMI hauptsächlich von Komponenten verursacht, die hohe Leistungen beziehen oder schnell schalten. Motoren und ESCs sind dabei wesentliche Faktoren, insbesondere aufgrund hoher Stromtransienten und PWM-Schaltvorgängen. Hochspannungsbatterieleitungen können ebenfalls Störungen ausstrahlen, und lange Kabel können wie Antennen wirken.
Abbildung 2: Auf dem Flight Stand 50 montiertes Drohnenantriebssystem
Wenn Sie eine neue Komponente für Ihren Testaufbau des Antriebssystems kaufen, stellen Sie sicher, dass Sie das Benutzerhandbuch sorgfältig lesen und nach spezifischen Anweisungen zur EMI-Reduzierung suchen. Wir sind auf bestimmte ESC-Modelle und Kühlpumpen gestoßen, die ein System offenbar zusätzlich belasten. Die Komponentenhersteller enthalten in ihren Handbüchern und Datenblättern häufig zusätzliche Schritte zur EMI-Reduzierung, daher sollten Sie diese Dokumente nach Tipps durchsuchen.
Testgeräte
Testgeräte wie Messgeräte und externe Netzteile erhöhen die Komplexität des Systems weiter. Diese Komponenten führen zu mehr Verkabelung, zusätzlichen Erdungspfaden und mehr Möglichkeiten für die Einkopplung von Störungen in empfindliche Elektronik.
Nachfolgend finden Sie ein Diagramm eines korrekt angeordneten Testaufbaus für Drohnen mit einem Flight Stand, Motor, ESC, Batterie, elektrischem Messeinheit (EMU) und Sync Hub:
Abbildung 3: Ein korrekt konfigurierter Testaufbau für Antriebssysteme
Zusätzlich zur Verbindung der Systemkomponenten auf diese Weise empfehlen wir, Geräte nach Möglichkeit direkt mit dem Computer zu verbinden und die Verwendung von USB-Hubs zu vermeiden.
Testumgebung
Umweltbedingungen können das Verhalten von EMI auf subtile, aber bedeutsame Weise beeinflussen.
Die Temperatur wirkt sich auf das Schaltverhalten von Halbleitern aus: Wärmere Bauteile schalten in der Regel etwas langsamer, während kältere Bauteile steilere Flanken erzeugen, die die Hochfrequenzemissionen erhöhen. Oszillatoren und Taktgeber können zudem temperaturabhängig driften.
Die Luftfeuchtigkeit wirkt sich primär auf die Oberflächenleitfähigkeit und Einkopplung aus, weniger direkt auf die Emissionen. Eine niedrige Luftfeuchtigkeit erhöht die Ansammlung statischer Ladungen und das Risiko von ESD, während eine hohe Luftfeuchtigkeit die Oberflächenableitung auf Kabeln und Leiterplatten erhöhen und abgestrahlte Felder leicht dämpfen kann.
Temperatur und Luftfeuchtigkeit verändern gemeinsam die dielektrischen Eigenschaften der Luft, was die elektromagnetische Ausbreitung und die Antenneneinkopplung geringfügig beeinflussen kann.
Obwohl diese Effekte in der Regel gering sind und oft unter 1 bis 3 dB liegen, können sie zu Schwankungen beitragen, die dazu führen, dass EMI-Probleme als sporadische Verbindungsabbrüche statt als wiederholbare Ausfälle auftreten.
2. So reduzieren Sie EMI
So messen Sie EMI
EMI in einem Testaufbau für Antriebssysteme wird üblicherweise mithilfe von Nahfeldmessungen und Frequenzbereichsanalyse bewertet, um Emissionsquellen und Einkopplungspfade zu identifizieren.
Zu der empfohlenen Ausrüstung für eine erste EMI-Bewertung gehören: ein Oszilloskop zur Überprüfung auf Schleifenbildung und ein Spektrumanalysator für eine detailliertere Frequenzanalyse.
Abbildung 4: Ein Oszilloskop (links) und ein Spektrumanalysator (rechts)
Für eine fortgeschrittenere EMI-Analyse hat unser Team bei Tyto auch zusätzliche Ausrüstung eingesetzt, darunter eine magnetische Nahfeldsonde, einen Inline-Vorverstärker mit geringem Rauschen, einen festen Dämpfer zum Schutz des Eingangssignals und zur Gewährleistung der Linearität sowie ein Oszilloskop mit Differenzsonde, um spektrale Emissionen mit dem Schaltverhalten auf Leistungs- und Signalleitungen in Korrelation zu bringen. Für grundlegende Störungsdiagnosen ist diese zusätzliche Ausrüstung nicht erforderlich.
Abbildung 5: Eine Hochspannungs-Differenzsonde, die in einigen Fällen nützlich ist, für grundlegende EMI-Störungsdiagnosen jedoch nicht erforderlich ist
Um den Instrumentenrauschpegel zu ermitteln, schalten Sie alle Geräte aus und führen Sie eine Nahfeldmessung mit einer festen Geometrie durch. Halten Sie dabei die Magnetfeldsonde in einem konstanten Abstand zum Gehäuse und verwenden Sie einen Pfad mit festem Widerstand, feste Bandbreiten-Einstellungen und eine feste Vorverstärkerkonfiguration. Behandeln Sie den resultierenden Basispegel anschließend als lokalen Rauschpegel für den Vergleich.
Verwenden Sie die magnetische Nahfeldsonde, um Motoren, ESCs, Kabel und Gehäuseoberflächen zu untersuchen. Die Emissionen werden über einen breiten Frequenzbereich beobachtet und im Verhältnis zum lokalen Rauschpegel interpretiert. Erhöhte Frequenzbereiche (alles, was etwa 20 dB über dem Rauschpegel liegt) werden für weitere Untersuchungen und Maßnahmen zur Störunterdrückung markiert.
Workflow zur EMI-Reduzierung
Wenn EMI-bedingte Probleme auftreten, ist der empfohlene Ansatz, mit passiven Techniken zur EMI-Reduzierung zu beginnen. Diese Methoden konzentrieren sich auf das Layout der Verkabelung, die Erdungsstrategie und die physische Trennung, anstatt neue Elektronik hinzuzufügen. Weitere Details werden im nächsten Abschnitt erläutert.
Die Bewertung der Umweltbedingungen in Ihrem Labor kann ebenfalls Aufschluss darüber geben, ob die Umgebungstemperatur oder die Luftfeuchtigkeit zur Ausbreitung von EMI beitragen könnte.
Weitere aktive Techniken zur EMI-Reduzierung können die Isolierung der Erdung umfassen, die in Abschnitt 4 dieses Artikels anhand eines Beispiels beschrieben wird.
Passive Techniken reichen häufig aus, um Verbindungsabbrüche beim Drohnentest zu beheben, und sollten vollständig umgesetzt werden, bevor Sie zu aktiven Methoden zur Störunterdrückung übergehen.
3. Passive Techniken zur EMI-Reduzierung
Anpassungen der Verkabelung
Eine der effektivsten Methoden zur Reduzierung von EMI besteht darin, Hochleistungsleitungen von Daten- und Signalleitungen zu trennen. Kabel des gleichen Typs sollten zusammen gebündelt werden. Datenkabel sollten zusammen umwickelt oder verdrillt werden, und auch Hochleistungsleitungen sollten zusammen umwickelt oder verdrillt werden.
Dies reduziert die Schleifenfläche und begrenzt die abgestrahlten Störungen. Es wird außerdem empfohlen, die PWM-Leitungen vom FMU zum ESC so kurz wie möglich zu halten, um die Aufnahme von Störungen zu minimieren.
Schleifenbildung und Erdung
Schleifenbildung ist eine häufige EMI-Quelle bei Antriebstests.
Eine Erdungsschleife entsteht, wenn miteinander verbundene Geräte mehrere leitfähige Rückleitungen teilen, einschließlich einer gemeinsamen Erdung, und unterschiedliche Spannungspotenziale aufweisen. Die Differenz kann nur einen Bruchteil eines Volts betragen, reicht jedoch aus, um Störungen in das System einzuführen.
Diese Schleifen ermöglichen es Störströmen, zu zirkulieren und in empfindliche Elektronik einzukoppeln. Die Verkabelung sollte auf Schleifenpfade untersucht und nach Möglichkeit in geschmeidige S-förmige Pfade umgelegt werden.
Um Erdungsschleifen in einem Flight Stand-Aufbau zu vermeiden, sollten der Sync Hub und die Batterie-Erdung über den Pfad mit dem niedrigsten Widerstand miteinander verbunden werden, in der Regel über das kürzestmögliche Kabel mit dem niedrigsten geeigneten Querschnitt.
Daisy-Chains sollten unter allen Umständen vermieden werden. Für die Reduzierung des Erdungspotenzials wird ein Sternschema empfohlen.
Abbildung 6: Korrekte Sternschema-Verkabelung (links) und fehlerhafte Daisy-Chain-Verkabelung (rechts)
Die ordnungsgemäße Erdung aller leitfähigen Komponenten ist entscheidend. Der Teststand selbst sollte über die kürzeste und niederohmste Verbindung mit demselben Bezugspunkt wie die Batterie und der Sync Hub geerdet werden.
Die Gewährleistung, dass alle Hauptkomponenten einen gemeinsamen Erdungsbezugspunkt teilen, reduziert Potenzialdifferenzen und verhindert, dass unerwünschte Ströme durch Signalpfade fließen.
Abbildung 7: Erdungskabel, die einen direkten Weg für den Stromfluss zur Erde bieten (Quelle: Electrotechnik)
Mechanische EMI-Quellen und Isolation
EMI kann auch von mechanischen oder elektromechanischen Quellen wie Zündstartern, Relais oder Kühlpumpen ausgehen. Diese Geräte können aufgrund von Funkenbildung, Wackelkontakten oder schnellen Stromänderungen erhebliche EMI und ESD erzeugen und werden bei Antriebstests häufig übersehen.
Für Geräte mit hoher EMI, wie Zündsysteme oder Kühlpumpen, wird empfohlen, sie über einen anderen Anschluss oder Leistungsschalter als die empfindliche Elektronik zu versorgen. Die wichtigste Anforderung besteht darin, dass diese Geräte keine gemeinsamen Erdungspfade mit dem Flight Stand, dem ESC oder der Messelektronik haben, was hilft, das Einkoppeln von Störungen und Entladeströmen in das System zu verhindern.
Auch die physische Trennung ist eine effektive Störunterdrückungstechnik. Geräte mit hoher EMI sollten so weit wie möglich vom Flight Stand entfernt werden, wobei ein empfohlener Mindestabstand von etwa 2 Metern für Komponenten wie Pumpen gilt.
Schließlich sollten bekannte Geräte mit hoher EMI über eine starke, dedizierte Erdung verfügen. Dies schafft einen bevorzugten Entladungspfad für ESD und Störströme und stellt sicher, dass diese direkt zur Erde fließen, anstatt durch empfindliche Elektronik zu gelangen.
Ferritperlen und EMI-Filter
Ferritperlen können verwendet werden, um hochfrequente Störungen auf Daten- und Signalleitungen zu unterdrücken. Die Installation einer Ferritperle an diesen Kabeln kann EMI dämpfen, ohne den normalen Signalbetrieb zu beeinträchtigen.
Abbildung 8: Eine Ferritperle an einem USB-Kabel
EMI-Filter reduzieren unerwünschte Hochfrequenzstörungen, indem sie Störungen dämpfen, während sie den normalen Strom- oder Signalbetrieb zulassen. Sie werden in der Regel an Leistungseingängen oder Signalanschlüssen installiert, um zu verhindern, dass Störungen in das System gelangen oder daraus austreten.
Sowohl Ferritperlen als auch EMI-Filter haben einen Frequenzbereich, in dem sie am effektivsten sind. Ein Spektrumanalysator kann verwendet werden, um die problematischen Frequenzen in Ihrem System zu identifizieren, woraufhin eine geeignete Perle oder ein Filter ausgewählt werden kann. Zum Beispiel sind Ferritperlen, die häufig an USB-Kabeln verwendet werden, in der Regel im Bereich von Dutzenden bis Hunderten Megahertz am effektivsten, oft um 100 MHz.
Diese Techniken sind besonders nützlich, wenn Änderungen am Kabel-Layout allein das Problem nicht vollständig lösen und sie schnell ohne Änderung des Gesamtsystemdesigns umgesetzt werden können.
Verbindungen
Wenn EMI-bedingte Verbindungsabbrüche weiterhin auftreten, kann es hilfreich sein, nicht wesentliche Messverbindungen vorübergehend zu trennen, die möglicherweise als Störeintrittspunkte fungieren.
Zum Beispiel kann das Trennen des Hochspannungs-Messports am Flight Stand EMU helfen zu bestimmen, ob diese Verbindung zu dem Problem beiträgt.
Die Reduzierung der Anzahl elektrischer Pfade in empfindliche Elektronik verbessert häufig die Robustheit des Systems während des Tests.
4. Aktive Techniken zur EMI-Reduzierung
Wenn passive Techniken zur EMI-Reduzierung das Problem nicht lösen, können aktive Methoden zur Störunterdrückung eingesetzt werden. Diese Techniken unterbrechen direkt die Störausbreitungspfade, anstatt lediglich die Einkopplung zu reduzieren.
Isolierung der Erdung
Ein effektiver aktiver Ansatz besteht darin, die Erdung zwischen dem ESC und dem FMU zu isolieren. Durch das Unterbrechen der direkten Erdverbindung wird verhindert, dass von Hochleistungselektronik erzeugte Störungen in empfindliche analoge und digitale Schaltungen gelangen.
Erdungsisolation ist besonders nützlich, wenn ADC-Verbindungsabbrüche oder Kommunikationsfehler trotz sorgfältiger Verkabelung und Erdungsmethoden weiterhin auftreten.
Analoge und digitale Isolatoren können beide eine Rolle bei der Erdungsisolation spielen - analoge Isolatoren für Netzteile und Stromverteilungsnetze, digitale Isolatoren für ESCs und andere Signalleitungsgeräte.
Beispiel: Optokoppler
Ein Optokoppler oder Optoisolator ist ein Beispiel für einen digitalen Isolator, der verwendet werden kann, um eine Erdungsisolation zu implementieren und gleichzeitig die Signalintegrität zu erhalten. In dieser Konfiguration werden Steuersignale optisch statt elektrisch übertragen, was verhindert, dass Störungen zwischen Leistungs- und Steuerungsbereichen übertreten.
Abbildung 9: Der SparkFun Optoisolator
Optoisolatoren wurden erfolgreich eingesetzt, um PWM- oder Steuerungslinien zwischen dem ESC und der Force Measurement Unit (FMU) des Flight Stand Teststands zu isolieren, was EMI-bedingte Verbindungsabbrüche in anspruchsvollen Testumgebungen erheblich reduziert.
Nachfolgend finden Sie das Schaltbild für den SparkFun Optoisolator als Beispiel:
Abbildung 10: SparkFun Optoisolator-Schaltbild
Fazit
Elektromagnetische Störungen sind bei Drohnenantriebstests eine unvermeidbare Überlegung, da Hochleistungsmotoren, ESCs und Schaltvorgänge neben empfindlichen Mess- und Steuerungssystemen betrieben werden. EMI-Probleme treten häufig als sporadische Verbindungsabbrüche statt als wiederholbare Ausfälle auf, was sie ohne einen systematischen Ansatz, der EMI-Messungen, sorgfältige Kabelplanung und ordnungsgemäße Erdung umfasst, schwer zu diagnostizieren macht.
Die meisten EMI-Probleme bei Antriebstests können mithilfe passiver Techniken zur EMI-Reduzierung gemildert werden, wie der Trennung von Leistungs- und Datenleitungen, der Beseitigung von Erdungsschleifen, der Verbesserung von Erdungspfaden und dem Einsatz von Ferritperlen oder EMI-Filtern an kritischen Schnittstellen.
Wenn passive Methoden nicht ausreichen, können aktive Techniken zur EMI-Reduzierung, wie die Erdungsisolation mit Optoisolatoren, empfindliche Elektronik weiter schützen, die Zuverlässigkeit des Tests verbessern und konsistente, wiederholbare Drohnentestresultate sicherstellen.